Кинематическая вязкость. Механика жидкостей и газов

Кинематическая вязкость является основополагающей физической характеристикой всех газовых и жидкостных сред. Этот показатель имеет ключевое значение при определении лобового сопротивления движущихся твердых тел и нагрузки, которую они при этом испытывают. Как известно, в нашем мире любое движение происходит в воздушной или водной среде. При этом на движущиеся тела всегда воздействуют силы, вектор которых противоположен направлению перемещения самих объектов. Соответственно, чем больше кинематическая вязкость среды, тем сильнее нагрузка, испытываемая твердым телом. В чем заключается природа этого свойства жидкостей и газов?

Кинематическая вязкость, определяемая как внутреннее трение, обусловлена переносом импульса молекул вещества перпендикулярно направлению движения его слоев, имеющих различные скорости. Например, в жидкостях каждую из структурных единиц (молекулу) со всех сторон окружают ее ближайшие соседи, расположенные примерно на расстоянии, равном их диаметру. Каждая молекула колеблется вокруг так называемого положения равновесия, но, принимая импульс от своих соседей, она совершает резкий прыжок в направлении нового центра колебаний. За секунду каждая такая структурная единица вещества успевает сменить место своей оседлости около ста миллионов раз, совершая между скачками от одной до сотни тысяч колебаний. Разумеется, чем сильнее такое молекулярное взаимодействие, тем меньше будет подвижность каждой структурной единицы и, соответственно, больше кинематическая вязкость вещества.

Если на какую-либо молекулу действуют постоянные внешние силы со стороны соседних слоев, то в этом направлении частица совершает больше перемещений за определенную единицу времени, чем в противоположном. Поэтому ее хаотическое блуждание преобразуется в упорядоченное движение с определенной скоростью, зависящей от сил, на нее воздействующих. Такая вязкость свойственна, например, моторным маслам. Здесь имеет значение и тот факт, что приложенные к рассматриваемой частице внешние силы выполняют работу по своеобразному раздвиганию слоев, сквозь которые протискивается данная молекула. Такое воздействие в конечном итоге увеличивает скорость теплового беспорядочного движения частиц, которая не изменяется со временем. Иначе говоря, жидкости характеризуются равномерным течением, невзирая на постоянное воздействие разнонаправленных внешних сил, поскольку они уравновешиваются внутренним сопротивлением слоев вещества, что как раз и определяет коэффициент кинематической вязкости.

С увеличением температуры подвижность молекул начинает возрастать, что приводит к некоторому уменьшению сопротивления слоев вещества, поскольку в любой разогретой субстанции создаются более благоприятные условия для свободного перемещения частиц в направлении приложенной силы. Это можно сравнить с тем, как человеку намного легче протиснуться сквозь беспорядочно движущуюся толпу, чем через неподвижную. Значительным показателем кинематической вязкости, измеряемой в Стоксах или Паскалях-секундах, обладают растворы полимеров. Это связано с наличием в их структуре длинных жестко связанных молекулярных цепей. Но при повышении температуры показатель их вязкости быстро уменьшается. При прессовании изделий из пластмассы ее нитеобразные, причудливо переплетенные молекулы принудительно принимают новое положение.

Вязкость газов при температуре 20°C и атмосферном давлении 101,3 Па имеет порядок 10^-5Па*с. Например, кинематическая вязкость воздуха, гелия, кислорода и водорода при таких условиях будут равны соответственно 1,82*10^-5; 1,96*10^-5; 2,02*10^-5; 0,88*10^-5 Па*с. А жидкий гелий вообще обладает удивительным свойством сверхтекучести. Это явление, открытое академиком П.Л. Капицей, заключается в том, что данный металл в таком агрегатном состоянии почти не обладает вязкостью. Для него это показатель практически равен нулю.